配电柜高效节能的优化设计

◎彭江鹰

一、配电柜的概述

电力配电有一级配电和二级配电，一级配电是动力配电，是把电能分配到不同地点的下级配电设备，二级配电是动力配电柜和电动机控制中心的统称。在配电的各个环节需要的配电柜有隔离柜、进线柜、出线柜、母线联络柜、电容器柜、计量柜、GIS 柜等。

外部电源首先进入隔离柜，隔离柜没有分断和接通负荷的能力，只是方便维修人员进行维护和检修；经过隔离柜后，进入进线柜，在进线柜接受电能，由进线柜中断路器进行分断和接通负荷的控制；如果系统电源进线有两路，且两路互为备用时，需要通过母线联络柜将两路电源的主母线进行联通；PT柜、计量柜中安装的电压互感器、电流互感器以及计量装置，检测母线电压、电流和实现保护功能；进线柜的旁边安装电容器柜，进行电网无功功率的补偿或用电设备的功率因数提高；出线柜用来分配电能，母线汇集的电能通过出线柜输送给变压器或者其它用电设备、终端用户。配电柜在分散负荷、回路较少的场合使用，一般我们看到配电柜都是安装在比较隐蔽的角落。

配电柜内通常配备断路器、隔离开关、负荷开关、接触器、转换开关、按钮开关等控制设备，避雷器、熔断器、热继电器、微机处理器、中间继电器、时间继电器等保护设备，电压互感器、电流互感器、电压表、电流表等计量电器，电容器等补偿设备，另外还有PLC、变频器、指示灯等。

二、配电柜运行中存在的问题

1.温度升高。

按照国标设计和制造的电气设备正常运行时环境温度上限值为≤40℃，配电柜中安装的电气设备，长时间运行的过程中产生大量的热量，尤其变频器产生的热量更大，很容易使配电柜内部的温度达到并超过40℃。

2.积累灰尘。

配电柜内电气设备在运行过程中，因为工作特性产生电位差和静电，将大气环境中的灰尘、盐分、金属尘埃、油污、炭渍、潮气等污染物吸附，吸附的尘埃微粒在配电柜内形成堆积，使各设备无法正常散热，导致配电柜内温度更加升高。

3.降低绝缘性能。

配电柜内电气设备上吸附的尘埃微粒形成尘埃膜电阻，极易造成电气设备的绝缘强度降低，导致配电柜内设备放电，易导致电弧事故；电气设备在高温下长期运行，导致电气设备的线圈、引线等绝缘电阻降低、绝缘性能下降、泄漏电流增大，导电性增强，易导致短路事故。

4.造成电气设备误动或拒动。

温度过高，会影响保护设备的稳定性、动作的可靠性，造成保护设备误动作，不能及时切断故障。断路器、隔离开关、负荷开关等机械结构的电气控制设备，设备上吸附的尘埃微粒极易造成机械结构卡滞，造成执行电气操控命令时拒动。

5.造成控制系统失灵或故障。

配电柜内的变频器、控制器、PLC 等装置中的电路板，工作时产生的电场吸附的尘埃微粒落在电路板上，一是对电子元器件的金属引脚产生腐蚀，造成电路板控制失效；二是灰尘与湿气混合会形成电阻网络，造成控制电路失灵，或者会使电源短路烧坏保险。

6.温度过高会影响计量的准确性。

温升和绝缘是电气设备的两个重要指标，温度每升高8℃，电气设备寿命则降低一半，必将使配电柜内电气设备缩短使用寿命，不能正常工作，甚至烧毁。只有控制住温升，就能有效避免绝缘性能下降，就能有效控制住电气事故的发生。

三、配电柜的问题解决方式

基于上述配电柜在运行中存在的问题，问题的根源在于高温和灰尘。散热冷却方式从技术层面上有三种：

1.闭环冷却，配电柜外部空气与配电柜内部不进行对流，为配电柜安装合适的机柜空调或者热交换器，内部循环制冷降温。

2.开环冷却，配电柜外部空气与配电柜内部进行对流，为配电柜安装风扇强迫对流进行散热降温。

3.自然冷却，配电柜外部空气与配电柜内部进行对流，利用自然风进行散热降温。

防尘的方式是设置过滤器阻挡尘埃的进入。

四、配电柜散热防尘研究现状分析

关于配电柜散热防尘问题的研究，学者蔡云龙研究的一种具有除尘和散热结构的配电柜，采用收卷轴、升降管、气泵和吸尘器进行配电柜的散热和防尘。散热风机对配电箱体内部进行吹风散热，收卷电机带动收卷轴转动的同时带动升降管进行往复升降运动，气泵对升降管的内部鼓入空气进行电气元件除灰，同时吸尘器对箱体的内部进行吸尘。

关于配电柜散热防尘问题的研究，学者俞阳贞研究的防尘配电柜，采用弹性气囊和气缸进行配电柜的散热和防尘。利用气缸顶出时挤压气囊产生大量集中的气体吹向配电柜中设备，即可散热又可除尘。

关于配电柜散热防尘问题的研究，新乡市中州电器有限公司学者王长峰研究的一种可防尘水冷式配电柜，采用四组风机与换热组件进行配电柜的散热和防尘，在闭环的气流循环区域内冷却液吸收热量以降温，隔绝柜体外部空气，防止外部空气中的粉尘进入配电柜中。

关于配电柜散热防尘问题的研究，苏州依斯倍环保装备科技有限公司的学者沈骞如[6]研究的热交换电气柜及其散热装置，在柜内采用安装风机、换热管、风管和换热源等散热装置进行柜内的散热和防尘。将风机和换热管安于风管内，风机通向风管，换热管通向换热源，风管通向电气柜，风机循环将热空气抽吸并排除到风管内，经换热管降温冷却后通过风管输送回电气柜内。闭环冷却方式，设备无需与外接接触，起到防尘作用。

纵观配电柜散热防尘问题他人研究的状况，散热防尘做得很好，但是每一种散热防尘都增加不少设备，设备在柜内占空间，并且增加成本。为了解决散热和除尘两个根本问题，为了提高配电柜的高效节能，我将采用开环冷却和自然冷却相结合的方式进行散热降温，采用加防尘网的方式进行防尘，以低成本、高效率对配电柜进行优化设计。

五、本方案配电柜的优化设计

（一）配电柜优化设计方案

1.增加两个出风口。采用百叶窗窗结构设计，对称开设在配电柜的左上侧和右上侧，每侧开设四个出风口。

2.增加两个进风口。采用百叶窗窗结构设计，对称开设在配电柜的左下侧和右下侧，每侧开设四个进风口。采用进风口和出风口间是上下垂直对应，这样可以引导气流垂直通过配电柜内，以确保自然风对流顺畅而提升冷却效率。

3.增设两个防尘网。在配电柜内部的下侧，且与两个进风口相对应设置有两组防尘网，在配电柜的下侧且与防尘网相对应的位置处开设有滑槽，在防尘网的外侧设置有握把，防尘网从配电柜中可滑动并拆卸。

4.增设两个散热风扇。在配电柜内部的左上侧、右上侧分别设置两个散热风扇，这两个散热风扇是根据热气上升冷气下沉的原理设计，柜内产生的热气集中在顶部，采用顶部两个散热风扇抽出方式使散热效果更好；左下侧和右下侧分别设置两个散热风扇，下侧的第一散热风扇和第二散热风扇位于防尘网的水平线之上，防尘网可以有效阻挡散热风扇带来的大量灰尘。采用四个散热风扇进行开环冷却，使柜内空气与柜外空气强迫对流，以达到柜内很好的散热降温效果。散热风扇的选择，根据每个配电柜内安装电气设备运行时产生的热量以及容许的温升而选择，选择时首先计算配电柜内所安装电气设备的总热阻Rja：Rja=（Tjmax-Ta）／Pc，然后计算散热风扇热阻 Rsa 或温升ΔTsa：Rsa = Rja-Rtj-Rtc，ΔTsa=Rsa×Pc，根 据 Rsa 或ΔTsa 和Pc 查散热风扇的散热曲线（Rsa 曲线或ΔTsa 线），根据散热曲线值小于计算值，找到Rsa 曲线对应的风速，根据风速流经散热风扇截面算出散热风扇流量，根据Rsa 曲线上风速对应的阻力压降选择散热风扇压力工作点，选择满足流量和压力工作点的风扇。安装散热风扇成本低，只需要在配电柜的顶部和下部分别开两个方孔，用四个螺钉紧固散热风扇即可，安装简便。

5.增设无线温湿度传感器、报警灯和扩音器。在配电柜的内部设置有无线温湿度传感器，配电柜本体基面的左上侧安装有报警灯，位于报警灯的右侧安装有扩音器。无线温湿度传感器进行监测配电柜内温度和湿度，当超过设定值时，使报警灯闪烁并使扩音器发出报警声音。无线温湿度传感器体积小，在柜内不占空间，同时无线温湿度传感器、报警灯和扩音器价格便宜，成本低。

（二）配电柜优化设计图

根据设计方案做出配电柜的正面图（a）、侧面图（b）、背面图（c）、散热风扇图（d）、防尘网图（e）如下：

六、本方案配电柜优化设计思路

配电柜使用时，首先根据配电柜中电气设备的正常工作环境参数，把配电柜内部的无线温湿度传感器设置三个一定的值。

当配电柜内部的电气设备开始运行时，内部的无线温湿度传感器开始检测配电柜内的温湿度，当内部的温湿度超过第一个设定的值时，无线温湿度传感器使上、下两个第一个散热风扇开始工作，对配电柜内部进行散热。

当配电柜内部的温湿度超过第二个设定的值时，无线温湿度传感器使上、下第一个散热风扇和第二个散热风扇同时工作，同时对电柜内进行散热，配电柜内散热的效果更好，配电柜内的电气设备得到保护。两组散热风扇，如果其中有一个损坏，另一个散热风扇仍然正常对配电柜内部进行散热，从而可以大大提高配电柜内部使用的安全性和内部元器件的使用寿命。同时，在散热风扇对配电柜内部进行散热同时，可以把位于散热风扇下方的防尘网外部的灰尘进行过滤，进一步保障配电柜内部不会灰尘过多。

当配电柜内部的温湿度超过第三个设定的值时，警报灯闪烁，扩音器报警，工作人员听到报警声，对内部进行检查。可以先检查防尘网上的灰尘是否过多，握住防尘网上的握把，向外抽拉防尘网进行拆卸，对防尘网进行清洗，清洗完之后再放回原处。

在平时的运行维护中应该对防尘网进行定期清洗，报警灯和扩音器就是为了防止忘记对防尘网的定期清洗出现灰尘较多造成防尘网堵塞的一个提醒。当防尘网被过多的尘埃堵塞造成配电柜内温度升高，超过第三个设定的值时，通过警报灯闪烁和扩音器报警，提醒工作人员及时发现问题及时处理处理问题。

七、本方案配电柜优化的实践意义

1.通过设置的百叶窗自然冷却散热，无需增添设备，无需改变柜内安装结构，无需消耗电能，通过下进风口和上出风口的垂直对流，即可达到自然冷却散热效果，从而可以提高配电柜内部使用的安全性和内部元的使用的寿命，实现高效节能。

2.通过设置的上下两组散热风扇，使电柜内散热的效果更好。在配电柜内温度较高时，通过无线温湿度传感器分别启动第一、第二散热风扇对配电柜内进行散热，对电配电柜内的电气设备加以保护，从而可以提高配电柜内部元件的使用的寿命，整体的实用性更高。

3.通过设置的可拆卸防尘网，在散热风扇对电柜内部进行散热时，可以把外部的灰尘进行过滤，从而电柜内部不会因灰尘过多而影响元件的正常使用，且防尘网是可拆卸型的，当防尘网过滤灰尘较多时，可以及时对防尘网进行拆卸清洗，从而不会影响散热风扇的正常运行，整体实用性更高。